Специальная теория относительности (сто)
1) Принцип относительности Галилея.
Эквивалентные формулировки этого принципа:
а) никакими механическими опытами, находясь внутри ИСО, нельзя установить, движется она равномерно и прямолинейно или покоится;
б) все законы механики выглядят, записываются одинаково во всех ИСО;
в) все механические явления протекают одинаково во всех ИСО;
г) все законы механики инвариантны относительно преобразований Галилея.
2) Преобразования Галилея для координат и времени одного и того же события в разных ИСО (К и К´)
Переход из К´ в К :
Переход из К в К ':
.
Здесь:
– скорость движения ИСО К´
относительно ИСО К, направленная
вдоль оси Ох.
3) Постулаты СТО.
Первый постулат
Никакими физическими опытами, находясь внутри ИСО, нельзя установить движется она равномерно и прямолинейно или покоится;
Эквивалентные формулировки этого постулата:
-
Все законы физики выглядят, записываются одинаково во всех ИСО;
-
Все физические явления протекают одинаково во всех ИСО;
-
Все законы физики инвариантны относительно преобразований Лоренца.
Второй постулат
Скорость света в вакууме одинакова во всех ИСО и не зависит от движения источника и приемника света.
4) Преобразования Лоренца для координат и времени одного и того же события в разных ИСО (К и К´).
Переход из K' в К:
Переход из К в К ':
;
Здесь:
- скорость движения ИСО К´ относительно
ИСО К, направленная вдоль оси Ох.
5) Следствия преобразований Лоренца:
Лоренцево
сокращение длин :
,
–
собственная длина предмета;
Лоренцево
замедление времени:
,
–
собственный промежуток времени между
двумя событиями;
Релятивистский закон сложения скоростей:
.
;
Интервал:
,
в дифференциальной форме
,
является инвариантом СТО, т.е. не
изменяется при переходе из одной ИСО в
другую, совпадает с интервалом собственного
времени:
.
Динамка СТО
7) Релятивистский
импульс:
![]()
8) Релятивистская
масса тела:
,
– масса покоя тела.
9) Релятивистски инвариантная форма второго закона Ньютона
;
10) Энергия в
СТО:
![]()
11) Кинетическая
энергия в СТО:
;
12) Энергия покоя
тела:
;
13) взаимосвязь
массы и энергии тела:
;
14) Полная
энергии тела в СТО:
;
Механические колебания и волны
Колебания – повторяющийся во времени процесс изменения физической величины.
Волна – процесс распространения колебаний в пространстве
Гармонические колебания
Основные понятия и определения:
1) гармоническое колебание – колебание, происходящее по закону синуса или косинуса;
2) уравнение
гармонических колебаний:
,
где
–
амплитуда колебаний,
– фаза колебаний,
– начальная фаза колебаний,
–
циклическая (круговая) частота;
3) Период колебаний (Т) – минимальное время возвращения колеблющейся системы в исходное состояние (или время одного полного колебания);
4) Свободные незатухающие гармонические колебания. Дифференциальное уравнение:
и его решение:
;
5) Сила
сопротивления:
![]()
6) Затухающие колебания. Дифференциальное уравнение:
![]()
и его решение:
,
где
,
–
частота затухающих колебаний,
–
амплитуда затухающих колебаний;
7) Время релаксации
(
)
– время за которое амплитуда затухающих
колебаний убывает
раз
(
)
8) Логарифмический
декремент затухания (δ):
,
где
– число колебаний за время релаксации;
9) Добротность системы (Q):
![]()
![]()
18) Вынужденные гармонические колебания. Дифференциальное уравнение:
![]()
и его решение в стационарном режиме:
,
где
и
,
и
– амплитуда и циклическая частота
внешней вынуждающей силы;
Основные формулы и соотношения:
1) Собственная частота колебаний:
-
пружинный маятник –
,
-
математический маятник
, -
физический маятник
,
m – масса физического маятника, а
– расстояние между точкой подвеса и
центром масс, I – момент инерции
физического маятника относительно
центра масс;
2) Приведенная
длина физического маятника
;
3) Условия малого затухания:
![]()
4) Добротность в условиях малого затухания:
,
![]()
5) зависимость полной энергии затухающих колебаний от времени:
;
6) Уравнение резонансной кривой для амплитуды смещения:
;
7) Уравнение резонансной кривой для амплитуды скорости:
;
8) Резонансная частота для амплитуды
смещения:
;
9) формулы для амплитуды колебаний
смещения материальной точки от положения
равновесия при резонансе
;
10) формулы для
в
условиях малого затухания:
;
11) максимальные значения амплитуды скорости при резонансе.
,
.
Сложение колебаний
Сложение колебаний, происходящих вдоль одной оси
1) формулы для определения амплитуды и начальной фазы результирующего колебания:
,
.
Биение
2) уравнение биения
;
3) амплитуда биений
.
Сложение взаимно перпендикулярных колебаний
В
результате сложения двух взаимно
перпендикулярных колебаний с одинаковыми
частотами
и
траектория, вдоль которой происходят
результирующие колебания, лежит в
плоскости ХУ и описывается уравнением:
.
В случае кратных частот возникают фигуры Лиссажу.
Волны
1) Волна – процесс распространения колебаний в среде:
2) Продольные и поперечные волны. В продольной волне частицы среды совершают колебания вдоль вектора скорости распространения волны, а в поперечной волне - перпендикулярно к нему;
3) Гармоническая
(синусоидальная) волна – волна,
в которой частицы среды совершают
гармонические колебания около своих
положений равновесия с определенной
циклической частотой
;
4) Период волны (Т) – время одного полного колебания частиц среды.
5) Фазовая
скорость волны или скорость
распространения волны (
)
– скорость перемещения данной фазы
колебаний в среде.
6) Длина волны
(
)
– расстояние, которое проходит волна
за один период или минимальное расстояние
между частицами среды, совершающими
колебания с разностью фаз, равной
.
.
7) Волновая поверхность – поверхность, проведенная через равновесные положения частиц среды, совершающих колебания в одинаковой фазе. Волновых поверхностей много и они неподвижны.
8) Фронт волны - поверхность, разделяющая частицы среды на вовлеченные и не вовлеченные в колебательное движение. Фронт волны один и он движется со скоростью волны. Можно сказать, что фронт волны это самая дальняя от источника колебаний в данный момент времени волновая поверхность. В каждой точке фронта волны вектор фазовой скорости направлен перпендикулярно к ней.
9) Уравнение плоской волны распространяющейся (волновая функция):
-
вдоль оси Ох:

-
против оси Ох:

-
в произвольном направлении:

11) Уравнение
сферической волны:
![]()
12) Волновой
вектор
, модуль волнового вектора
13) Волновые уравнения для плоской гармонической волны, распространяющейся вдоль или против оси Ох
![]()
и в произвольном направлении в пространстве:
![]()
14) Волновое уравнение для сферической волны:
![]()
15) Зависимость амплитуды сферической волны от расстояния r до источника колебаний:
А~
~
~
.
16) Объемная
плотность энергии волны (
):
![]()
17) Мощность
излучения источника колебаний
(
):
18) Поток энергии
через поверхность (
):
19) Вектор Умова
или вектор плотности потока энергии
(
):
![]()
20) Интенсивность
упругой волны:
![]()
21) Стоячая волна. Стоячие волны, возникающие при отражении бегущей волны от границы раздела двух сред. Условия образования на границе раздела двух сред узлов и пучностей стоячей волны. Координаты узлов и пучностей стоячей волны:
Узлы
![]()
Пучности
![]()
![]()
Модуль: Молекулярная физика и термодинамика
Статистический и термодинамический методы описания макроскопических систем
Основные понятия и определения:
1) Термодинамические (макроскопические) параметры - это величины, которые описывают состояние системы, не рассматривая ее внутреннее строение. К ним относят такие параметры, как температура, давление, объем и т.д.
2) Макросостояние системы – это такое состояние системы, которое определяется заданием ее термодинамических параметров.
3) Микропараметры - это координаты и скорости (импульсы) частиц системы.
4) Микросостояние системы – это состояние системы, определяемое заданием координат и скоростей (импульсов) всех частиц системы.
5) Равновесное состояние системы - такое состояние, при котором ее макропараметры принимают определенное значение и остаются постоянными сколь угодно долго.
Равновесным является такое состояние изолированной системы, в которое она переходит по истечении достаточно большого промежутка времени (в начальный момент времени состояние системы было неравновесным). Это время называют временем релаксации.
6) Идеальный газ – газ, частицы которого на расстоянии не взаимодействуют; а при столкновениях ведут себя как упругие шары; собственный объем частиц значительно меньше объема, занимаемого газом.
7) Функция
распределения – плотность
вероятности или отношение вероятности
попадания значения случайной величины
в отдельном опыте в бесконечно малый
интервал значений (
)
к величине этого интервала
.
8) Функция распределения по модулю скорости молекул идеального газа:
;
9) Относительное число молекул
,
скорости которых попадают в интервал
скоростей (
,
),
или вероятность попадания
скорости одной молекулы в интервал
скоростей (
,
):
.
Основные формулы и соотношения:
10) условие нормировки:
;
11) наиболее вероятная скорость молекул:
;
12) максимальное значение функции
распределения молекул идеального газа
по модулю скорости:
;
13) средняя арифметическая скорость молекул:
![]()
14) средняя квадратичная скорость молекул:
<
>=
15) средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул:
![]()
![]()
Основное уравнение МКТ идеального газа для давления
1) Уравнение
состояния. В связи с тем, что
макропараметры системы не являются
независимыми, между ними существует
вполне определенная формула связи,
которая называется уравнением
состояния. В самом простом случае, в
отсутствие внешних полей (гравитационного,
магнитного, электрического полей) такое
уравнение связывает такие параметры,
как
![]()
.
В более сложных случаях для характеристики равновесного состояния требуются и другие параметры (например, концентрация компонентов смеси газов, напряженность электрического поля, магнитная индукция и т.д.).
Основные формулы и соотношения
2) формулы для давления идеального газа
,
;
3) формула для температуры:
.;
4) нулевое начало термодинамики - в изолированной системе, находящейся в неравновесном состоянии, протекают процессы перехода в равновесное состояние, в котором температура во всех частях системы будет одинаковой.;
5) барометрическая формула:
;
6) формулы определения вероятности
попадания молекулы в произвольный объем
пространства или относительное число
молекул
,
попадающих в этот объем
около точки с координатами (
)
,
7) Формула для экспериментального определения постоянной Авогадро
;
8) Уравнение состояния идеального газа:
=![]()
.
Расписав концентрацию и введя обозначения:
-
число молей и
-
универсальная газовая постоянная,
получим
;
Термодинамика
Основные понятия и определения:
1) Функция состояния системы это любая функция параметров системы, которая принимает одно и то же значение в данном состоянии системы независимо от способа перехода в это состояние.
2) Неравновесное состояние - состояние, в котором хотя бы один из термодинамических параметров не имеет определенного значения.
11) Процесс релаксации – процесс перехода предоставленной самой себе системы из неравновесного состояния в равновесное состояние.
12) Изолированная (замкнутая) система – система, которая не обменивается с внешними телами энергией и веществом.
13) Закрытая система – система, которая обменивается энергией и не обменивается частицами с окружающими ее внешними телами.
14) Открытая система – система, которая обменивается энергией и частицами с окружающими внешними телами.
15) Равновесный процесс (квазистатический процесс). В равновесной термодинамике изучают равновесные процессы. Под ними понимают процессы, в каждой точке которых макропараметры системы принимают определенные значения. Такие процессы являются идеализацией, они протекают бесконечно медленно в отсутствие разности давлений и температур.
Примером такого процесса является процесс бесконечно медленного сжатия газа под поршнем. В этом случае давление и температура газа будут одинаковыми во всех точках занимаемого газом объема. Если же перемещать поршень с конечной скоростью, то тогда непосредственно под поршнем образуется область газа (воздушная подушка), в которой его давление превышает давление в остальных точках объема. Следовательно, этот параметр для газа будет неопределенным и процесс не будет равновесным.
Равновесные процессы можно изображать на диаграммах состояниях, а неравновесные процессы нельзя из-за неопределенности параметров состояния в каждой точке процесса (их протекание можно обозначить пунктирной линией).
16) Все равновесные процессы являются обратимыми. Равновесный процесс, представляя собой непрерывную цепь равновесных состояний, является обратимым, т.е. обратимый процесс можно совершить в обратном направлении и при этом в окружающей среде не останется никаких изменений.
17) Круговой процесс это процесс, при котором система возвращается в исходное состояние
Внутренняя энергия системы, работа, теплообмен, количество теплоты.
Основные понятия и определения:
1) Внутренняя энергия системы – сумма
кинетических энергий теплового движения
молекул и потенциальной энергии их
взаимодействия:
;
2) Числом степеней свободы (
)
называют число независимых между собой
возможных перемещений механической
системы. число степеней свободы молекулы
5) Теплообмен (теплопередача) – процесс обмена энергией между системой и внешними телами, при котором не происходит изменение объема системы, не перемещаются ее макроскопические части.
Теплообмен может происходить за счет соударений молекул системы и внешних тел на границе их раздела, за счет лучеиспускания (молекулы системы поглощают электромагнитное излучение внешних источников) и за счет конвекции - процесса переноса тепла в жидкости, газе, сыпучих средах за счет потоков вещества. Примером конвекции является перемешивание нагретых и холодных слоев воздуха в земной атмосфере.
В чистом виде теплообмен реализуется
для изохорического процесса (
).
6) Количество теплоты (Q) –энергия, получаемая или отдаваемая системой в процессе теплообмена. Если система получает теплоту, то она считается положительной, если отдает - отрицательной.
7) Теплоемкость – количество теплоты,
необходимое для изменения температуры
системы (тела) на один градус:
.
8) Удельная теплоемкость системы (
)
:
,
где
- масса системы
9) Молярная теплоемкость системы (
)
,
10) Формула для количества теплоты:
;
Основные формулы и соотношения
11) средняя энергия теплового движения молекулы:
![]()
12) элементарная работа:
;
работа на конечном перемещении:
;
13) Первое начало
термодинамики: количество
теплоты, подведенное к системе, идет на
изменение ее внутренней энергии и на
работу, совершаемую системой над внешними
телами:
,
;
14) формула первого начала термодинамики для кругового процесса:
;
Энтропия. Второе начало термодинамики
-
Энтропия – термодинамическая величина, характеризующая меру неупорядоченности (беспорядка) системы,
-
Энтропия функция состояния системы, т.е. она не зависит от пути перехода из одного состояния в другое, а зависит только от начального и конечного состояния системы
-
Уравнение Клаузиуса:
,
где знак «=» в случае равновесных
процессов, знак «>» – нервановесных.
Формула для изменения энтропии в
равновесном процессе:
;
-
Второе начало термодинамики – энтропия замкнутой системы стремится может только возрастать или оставаться не низменной:
;
-
Статистический смысл энтропии.
Термодинамическая вероятность
(статистический вес) (
)
- это
число микросостояний системы, которые
соответствуют данному макросостоянию
системы.
Связь энтропии и термодинамической
вероятности:
;
-
Третье начало термодинамики – энтропия системы при абсолютном нуле температур равна нулю, т.е.
и S=0 при Т=0 К .
Применение первого и второго закона термодинамики. к изопроцессам в идеальном газе.
-
Изотермический процесс (
).
-
Уравнение процесса:
. -
,
-
,
-
,
-
,
-
.
Отметим, что молярная теплоемкость при этом процессе равна бесконечности, так как любой подвод тепла идет на совершение газом работы и при этом температура системы не изменяется.
-
Изохорический процесс (
).
-
Уравнение процесса:
. -
,
-
,
, -
,
-
.
-
Изобарический процесс (
).
-
Уравнение процесса:
.
-
,
-
, -
, -
,
-
.
Отметим, что разность теплоемкостей
и
для идеального газа равна
.
Это уравнение получило название уравнения Майера.
4) Адиабатический
процесс (изоэнтропийный
процесс,
)
– это процесс, происходящий в системе
без теплообмена (Q=0) с внешними
телами, или это изоэнтропийный процесс,
при его протекании энтропия системы не
изменяется.
-
Уравнения адиабатического процесса:
или
или
,
где
– коэффициент Пуассона;
-
,
-
,
или

-
, -
,
-
.
Тепловые двигатели
1) КПД теплового
двигателя
;
2) Цикл Карно – круговой процесс, состоящий из двух изотерм и двух адиабат. В данном цикле реализуется максимальная величина КПД теплового двигателя, работающего при заданных значениях температур нагревателя и холодильника.
3) КПД идеальной
тепловой машины:
Основы физической кинетики
К явлениям переноса относят необратимые процессы, в результате которых в системе происходит пространственный направленный перенос какой-либо физической величины (электрического заряда, массы, импульса, энергии и т.д.) на основе теплового движения частиц.
Основные понятия и определения:
1) общая формула для явлений переноса:
![]()
2) уравнение диффузии:
;
3) уравнение тплопроводности:
;
4) уравнение вязкости (внутреннего
трения):
;
5) уравнение проводимости:
;
6) Средняя длина свободного пробега
молекул газа:
;
7) коэффициент диффузии:
;
8) коэффициент вязкости:
;
9) коэффициент теплопроводности:
Основные формулы и соотношения:
Изменение средней длины свободного пробега и коэффициентов переноса от параметров идеального газа при различных изопроцессах в идеальном газе:
10) Изобарический процесс (
).
Уравнение процесса:
.
,
,
,
.
11) Изотермический процесс (
).
Уравнение процесса:
.
,
,
,
.
12) Изохорический процесс (
).
Уравнение процесса:
.
,
,
,
.
Реальные газы. Уравнение Ван – дер - Ваальса.
1) Реальный газ – газ взаимодействующих между собой частиц (молекул);
2) Критическое состояние вещества – предельное состояние равновесия двухфазных систем, в котором обе сосуществующие фазы становятся тождественными по своим свойствам;
3) Критическая точка (в системе жидкость-пар) - является конечной точкой на кривой равновесия. В ней исчезает различие между жидкостью и насыщенным паром. По одну сторону от критической точки вещество однородно (обычно при Т > Тк), а по другую – расслаивается на фазы (жидкость и пар);
4) Критическая температура – температура, при которой исчезают различия в физических свойствах между жидкостью и паром, находящимися в равновесии;
5) Уравнение
Ван-дер-Ваальса:
,
где a и b – экспериментальные
константы, учитывающие отклонение
свойств реального газа от свойств
идеального газа, и обусловленные наличием
сил взаимодействия между молекулами.
Основные формулы и соотношения:
6) критические параметры вещества:
,
,
,
7) уравнение состояния вещества в
критической точке:
8) внутренняя энергия реального газа:
;
Модуль 3: Электричество
